(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶性基板上に多重量子井戸構造の発光層が形成された窒化物半導体発光素子において、
該発光層のｎ電極側に、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜０．３）からなる第１の層とＧａＮからなる第２の層とを交互に積層した多重層を有し、該多重量子井戸構造の発光層の井戸層は少なくともＩｎを含むＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ＜０．３）からなり、該多重層の少なくとも第１の層に、一導電型不純物がその濃度として５×１０１６ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３の範囲で添加されて、該発光層が受ける静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）が２０以上４０以下とされており、
所定項目の逆方向電気特性をパラメータとして、該発光層が受ける静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）と該多重層の一導電型不純物の濃度との関係を示す特性曲線において、該静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）の極小値に該一導電型不純物の濃度が設定され、
該逆方向電気特性は、該ｎ電極から該単結晶性基板側に流れる逆方向電流値（０．７μＡ／ｃｍ２〜７ｍＡ／ｃｍ２）である窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記発光層が受ける静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）が２０以上３５以下とされている請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記一導電型不純物がその濃度として１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３の範囲で添加されている請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記一導電型不純物は、ｎ導電型不純物のＳｉである請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子を製造する方法であって、
窒化物半導体発光素子構造を有機金属化学気相成長法により単結晶性基板上に形成する第１の工程と、該窒化物半導体発光素子構造に対してｐ電極およびｎ電極を形成する第２の工程と、逆方向電気特性を測定する第３の工程とを有し、
該逆方向電気特性を用いて次回からの該第１の工程において、該単結晶性基板上に形成された多重量子井戸構造の発光層のｎ電極側に設けた多重層の少なくとも第１の層に、該発光層が受ける静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）を２０以上４０以下になるように、一導電型不純物の濃度が５×１０１６ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３の範囲で該一導電型不純物を添加するものであり、
所定項目の逆方向電気特性をパラメータとして、前記発光層が受ける静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）と該多重層の一導電型不純物の濃度との関係を示す特性曲線を予め求めておき、該第３の工程で求めた逆方向電気特性をパラメータとする特性曲線において、該多重層の少なくとも第１の層の一導電型不純物の濃度を、該静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）の極小値に対応する該多重層の一導電型不純物の濃度に制御するものであり、
該逆方向電気特性は、該ｎ電極から該単結晶性基板側に流れる逆方向電流値（０．７μＡ／ｃｍ２〜７ｍＡ／ｃｍ２）である窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記一導電型不純物の濃度の制御は、ＳｉＨ４ガス流量またはＳｉＨ（ＣＨ３）３ガス流量を制御することにより行う請求項５に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、緑、青および紫外領域の窒化物系化合物半導体発光素子などの窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の従来の窒化物半導体発光素子において、緑、青および紫外領域の発光素子として、窒化物系化合物半導体発光素子が汎用されているが、発光強度以外の窒化物系化合物半導体発光素子の諸特性は尚改善の余地がある。特に、静電耐圧については、ガリウム・ヒ素系の半導体発光素子やインジウム・リン系の半導体発光素子に比較して格段に低く、大幅な静電耐圧の向上が期待されている。
【０００３】
ここで、従来の窒化物半導体発光素子の静電耐圧の向上のために、下記の特許文献１〜４に各提案が為されている。
【０００４】
図４は、特許文献１に開示されている従来の窒化物系化合物半導体発光素子の縦断面図である。
【０００５】
図４に示すように、従来の窒化物系化合物半導体発光素子１００は、膜厚３ｎｍのノンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる井戸層と膜厚２０ｎｍのノンドープＧａＮからなる障壁層とを３ペア積層した多重量子井戸構造の発光層１０１の負のｎ電極１０２側に、膜厚３ｎｍのノンドープＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎからなる層と膜厚２０ｎｍのノンドープＧａＮからなる層とを５ペア積層した多重層（静電耐圧向上層）１０３を形成している。多重層（静電耐圧向上層）１０３により、横方向の抵抗を低減させてＥＳＤストレス時の印加電圧が発光層１０１への電流集中を緩和し、発光層１０１の広い範囲に電流経路Ａのうように広げて発光特性を破壊または低下させることなく、ＥＳＤ耐性を向上させることができる。
【０００６】
次に、特許文献２に開示されている従来の窒化物半導体発光素子では、それぞれ複数の窒化物半導体層からなるｐ側層とｎ側層の間に窒化物半導体からなる活性層を有し、ｐ側層はオーミック電極を形成する層としてｐ型コンタクト層を含み、そのｐ型コンタクト層はｐ型窒化物半導体層とｎ型窒化物半導体層とが交互に積層されている。このように、ｐ型コンタクト層内にｐｎ接合が形成されているので、正の逆方向に電圧が印加された場合における静電破壊電圧（静電耐圧）を高くすることができ、かつ、リーク電流を小さくすることができる。
【０００７】
次に、特許文献３に開示されている従来の窒化ガリウム系半導体発光素子では、Ｐ電極とｎ電極とを所定の抵抗値を持った抵抗体でショートさせておき、ＥＳＤ耐圧時にＰ電極とｎ電極間をショートさせてその間の発光層を保護しようとするものである。
【０００８】
次に、特許文献４に開示されている従来の発光素子の製造方法では、窒化物半導体層からなる井戸層を形成する工程と、井戸層上に窒素および全キャリアガス流量に対して２パーセント以上の割合の水素を含有するキャリアガスを用いてバリア層を形成する工程とを含むＭＱＷ活性層を形成する工程を有している。このように、ＭＱＷ活性層内のバリア層を窒素および全キャリアガス流量に対して２パーセント以上の割合の水素を含有するキャリアガスを用いて結晶成長させている。このようにして、ＭＱＷ活性層である発光層の結晶性を向上させてＥＳＤ耐圧時の電流を、結晶性の悪い部分への電流集中を防ぐことにより、ＥＳＤ耐圧を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−３５６４４２号公報
【特許文献２】特開２００４−１１２００２号公報
【特許文献３】特開２００６−２０３１６０号公報
【特許文献４】特開２００９−２３１５９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記従来のいずれの構成においてもなお、半導体発光素子の静電耐圧は十分ではなく、また、発光強度や駆動電圧に対して、静電耐圧はトレードオフの関係にある。特に、基板の欠陥密度の大小や欠陥準位など、基板の欠陥（貫通電位）によって逆方向電流にばらつきがあるため、ＥＳＤ耐圧が劣化するという問題があった。
【００１１】
一方、特許文献３では、Ｐ電極とｎ電極間を所定の抵抗値を持った抵抗体で配線しているものの、Ｐ電極とｎ電極とを完全にショートさせてしまうと光らなくなるし、抵抗体を所定の抵抗値に安定的に製造するのが困難であって、トンネル接合構造と言っても正方向にも電流が流れるので発光効率が低下するし、ＥＳＤ耐圧時に逆方向の電流だけを良好にショートさせるのも困難であり、さらに、Ｐ電極とｎ電極間の大きい段差を、所定の抵抗値を持った抵抗体で配線して接続するのも、段切れなど製造上の問題もある。
【００１２】
また、特許文献４では、ＭＱＷ活性層内のバリア層を窒素および全キャリアガス流量に対して２パーセント以上の割合の水素を含有するキャリアガスを用いて結晶成長させる場合に、実際、理想的な結晶を得るのは困難であり、水素の量を多くすると、エッチングが起こって成膜ではなく膜が減る方向に作用して結晶成長が行われない虞がある。
【００１３】
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、発光強度や駆動電圧を悪化させることなく静電耐圧を向上させることができる窒化物半導体発光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の窒化物半導体発光素子は、単結晶性基板上に多重量子井戸構造の発光層が形成された窒化物半導体発光素子において、該発光層のｎ電極側に、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜０．３）からなる第１の層とＧａＮからなる第２の層とを交互に積層した多重層を有し、該多重量子井戸構造の発光層の井戸層は少なくともＩｎを含むＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ＜０．３）からなり、該多重層の少なくとも第１の層に、一導電型不純物がその濃度として５×１０１６ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３の範囲で添加されて、該発光層が受ける静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）が２０以上４０以下とされており、所定項目の逆方向電気特性をパラメータとして、該発光層が受ける静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）と該多重層の一導電型不純物の濃度との関係を示す特性曲線において、該静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）の極小値に該一導電型不純物の濃度が設定され、該逆方向電気特性は、該ｎ電極から該単結晶性基板側に流れる逆方向電流値（０．７μＡ／ｃｍ２〜７ｍＡ／ｃｍ２）であるものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００１５】
また、好ましくは、本発明の窒化物半導体発光素子における所定項目の逆方向電気特性をパラメータとして、前記発光層が受ける静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）と前記多重層の一導電型不純物の濃度との関係を示す特性曲線において、該静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）の極小値に該一導電型不純物の濃度が設定されている。
【００１６】
さらに、好ましくは、本発明の窒化物半導体発光素子における逆方向電気特性は、前記ｎ電極から前記単結晶性基板側に流れる逆方向電流値である。
【００１７】
さらに、好ましくは、本発明の窒化物半導体発光素子における逆方向電気特性は、逆方向電圧印加時の静電容量値である。
【００１８】
さらに、好ましくは、本発明の窒化物半導体発光素子における発光層が受ける静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）が２０以上３５以下とされている。
【００１９】
さらに、好ましくは、本発明の窒化物半導体発光素子における逆方向電気特性は、過渡容量分光法または等温過渡容量法によって測定された欠陥準位である。
【００２０】
さらに、好ましくは、本発明の窒化物半導体発光素子における一導電型不純物がその濃度として１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３の範囲で添加されている。
【００２１】
さらに、好ましくは、本発明の窒化物半導体発光素子における一導電型不純物は、ｎ導電型不純物のＳｉである。
【００２２】
本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、請求項１〜４のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子を製造する方法であって、窒化物半導体発光素子構造を有機金属化学気相成長法により単結晶性基板上に形成する第１の工程と、該窒化物半導体発光素子構造に対してｐ電極およびｎ電極を形成する第２の工程と、逆方向電気特性を測定する第３の工程とを有し、該逆方向電気特性を用いて次回からの該第１の工程において、該単結晶性基板上に形成された多重量子井戸構造の発光層のｎ電極側に設けた多重層の少なくとも第１の層に、該発光層が受ける静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）を２０以上４０以下になるように、一導電型不純物の濃度が５×１０１６ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３の範囲で該一導電型不純物を添加するものであり、所定項目の逆方向電気特性をパラメータとして、前記発光層が受ける静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）と該多重層の一導電型不純物の濃度との関係を示す特性曲線を予め求めておき、該第３の工程で求めた逆方向電気特性をパラメータとする特性曲線において、該多重層の少なくとも第１の層の一導電型不純物の濃度を、該静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）の極小値に対応する該多重層の一導電型不純物の濃度に制御するものであり、該逆方向電気特性は、該ｎ電極から該単結晶性基板側に流れる逆方向電流値（０．７μＡ／ｃｍ２〜７ｍＡ／ｃｍ２）であるものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００２３】
また、好ましくは、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法において、所定項目の逆方向電気特性をパラメータとして、前記発光層が受ける静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）と前記多重層の一導電型不純物の濃度との関係を示す特性曲線を予め求めておき、前記第３の工程で求めた逆方向電気特性をパラメータとする特性曲線において、前記多重層の少なくとも第１の層の一導電型不純物の濃度を、該静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）の極小値に対応する該多重層の一導電型不純物の濃度に制御する。
【００２４】
さらに、好ましくは、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法における一導電型不純物の濃度の制御は、ＳｉＨ４ガス流量またはＳｉＨ（ＣＨ３）３ガス流量を制御することにより行う。
【００２５】
さらに、好ましくは、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法における逆方向電気特性は、前記ｎ電極から前記単結晶性基板側に流れる逆方向電流値である。
【００２６】
さらに、好ましくは、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法における逆方向電気特性は、逆方向ＡＣ電圧印加時の静電容量値である。
【００２７】
さらに、好ましくは、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法における逆方向電気特性は、過渡容量分光法または等温過渡容量法によって測定された欠陥準位である。
【００２８】
上記構成により、以下、本発明の作用を説明する。
【００２９】
本発明の窒化物半導体発光素子においては、単結晶性基板上に形成された多重量子井戸構造の発光層のｎ電極側に設けられた多重層の少なくとも第１の層に、一導電型不純物がその濃度として５×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３の範囲で添加されて、発光層が受ける静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）が２０以上４０以下とされている。具体的には、所定項目の逆方向電気特性をパラメータとして、発光層が受ける静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）と多重層の一導電型不純物の濃度との関係を示す特性曲線において、静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）の極小値に一導電型不純物の濃度が設定されている。
【００３０】
これによって、発光層のｎ電極側に、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜０．３）からなる第１の層とＧａＮからなる第２の層とを交互に積層した多重層の少なくとも第１の層に、不純物濃度が５×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３の範囲になるように不純物を添加して、発光層が受ける静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）が２０以上４０以下とすることにより、静電破壊の原因となる高電圧の電荷が発光層に印加されるときの静電エネルギを発光層に印加されないようなインピーダンスとなるような多重層の不純物濃度に制御するので、発光強度や駆動電圧を悪化させることなく静電耐圧を向上させることが可能となる。
【発明の効果】
【００３１】
以上により、本発明によれば、不純物濃度が５×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３の範囲になるように多重層に不純物を添加して、発光層が受ける静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）が２０以上４０以下とすることにより、静電破壊の原因となる高電圧の電荷が発光層に印加されるときのエネルギを発光層に印加されないようなインピーダンスとなるような多重層の不純物濃度に制御するため、発光強度や駆動電圧を悪化させることなく静電耐圧を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態１における窒化物半導体発光素子の要部構成例を示す縦断面図である。
【図２】図１の発光層が受ける静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）と図１の多重層のＳｉ密度（ｃｍ３）との関係を特性曲線として示す図である。
【図３】図１の窒化物半導体発光素子１の製造方法における各製造工程を示す流れ図である。
【図４】特許文献１に開示されている従来の窒化物系化合物半導体発光素子の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下に、本発明の窒化物半導体発光素子およびその製造方法の実施形態１について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３４】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１における窒化物半導体発光素子の要部構成例を示す縦断面図である。
【００３５】
図１において、本実施形態１の窒化物半導体発光素子１は、表面に凹凸が形成された厚さ約３００μｍの基板として例えばサファイヤ基板２の上に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成る膜厚約１５ｎｍのバッファ層３が成膜され、その上にノンドープのＧａＮから成る膜厚約５００ｎｍのノンドープＧａＮ層４が成膜されている。これらのサファイヤ基板２、バッファ層３およびノンドープＧａＮ層４が単結晶性基板を構成している。
【００３６】
さらに、本実施形態１の窒化物半導体発光素子１において、この単結晶性基板上にシリコン（Ｓｉ）を１×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮからなる膜厚約５μｍのｎ型コンタクト層５（高キャリヤ濃度ｎ＋層）が形成されている。このｎ型コンタクト層５上に多重層６が形成され、この多重層６上には多重量子井戸構造の発光層７が形成されている。
【００３７】
この多重層６は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜０．３）からなる第１の層とＧａＮからなる第２の層とを交互に複数積層されている。この多重層６は、ここでは例えば、膜厚３ｎｍのＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎからなる第１の層と、膜厚２０ｎｍのＧａＮからなる第２の層とを５ペア積層している。この多重層６のうちの第１の層に、一導電型不純物としてＳｉがその濃度として、５×１０１６ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３（さらに好ましくは、１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３）の範囲で添加されて、発光層７が受ける静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）が２０以上４０以下（さらに好ましくは、２０以上３５以下）とされている。具体的には、所定項目の逆方向電気特性（逆方向電流）をパラメータとして、発光層７が受ける静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）と多重層６の第１層におけるＳｉ濃度との関係を示す特性曲線（図２の曲線Ａ〜Ｃ）において、静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）の極小値に対応するＳｉの濃度に設定されている。
【００３８】
多重量子井戸構造の発光層７の井戸層は少なくともＩｎを含むＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ＜０．３）からなっている。このように、多重量子井戸構造の発光層７は、ここでは例えば、膜厚３ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎから成る井戸層と、膜厚２０ｎｍのＧａＮから成る障壁層とを３ペア積層している。
【００３９】
さらに、本実施形態１の窒化物半導体発光素子１において、この発光層７上に、Ｍｇを２×１０１９／ｃｍ３ドープした膜厚２５ｎｍのｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなるｐ型層である電子ブロック層８が形成され、この電子ブロック層８上に、Ｍｇを８×１０１９ドープした膜厚１００ｎｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層９が形成されている。このｐ型コンタクト層９上には、金属蒸着による透光性薄膜電極１０（ＩＴＯ）が形成され、透光性薄膜電極１０の一部上にｐ電極１１が形成され、一方、ｎ型コンタクト層５の端部上にはｎ電極１２が形成されている。最上部には、ＳｉＯ２膜よりなる保護膜１３が形成されている。透光性薄膜電極１０は、ｐ型コンタクト層９に直接接合する膜厚約１．５ｎｍのコバルト（Ｃｏ）よりなる第１層と、このコバルト膜に接合する膜厚約６ｎｍの金（Ａｕ）よりなる第２層とで構成されている。
【００４０】
発光層７を構成する多重量子井戸構造は、少なくともインジウム（Ｉｎ）を含むＩＩＩ族窒化物系化合物半導体ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜０．３）からなる井戸層を含むものである。発光層７の構成は、例えばドープされた、またはアンドープのＩｎｙＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜０．３）からなる井戸層と、この井戸層よりもバンドギャップの大きい任意の組成のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体ＧａＮ，ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜０．１）または、ＩｎｙＡｌｚＧａ１−ｙ−ｚＮ（０＜ｙ＜０．１，０＜ｚ＜０．２）から成る障壁層が挙げられる。好ましい例としてはアンドープのＩｎｙＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜０．３）、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜０．１）からなる障壁層が挙げられる。
【００４１】
発光層７のｎ電極１２側に設けられる多重層６は、発光層７を形成する少なくともインジウム（Ｉｎ）を含むＩＩＩ族窒化物系化合物半導体ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｙ＜１，０＜ｚ＜１）から成る井戸層のインジウム（Ｉｎ）の組成ｚよりも小さいインジウム（Ｉｎ）の組成ｘのＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）から成る層とＧａＮから成る層により形成される。このとき、多重層６を形成するＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）から成る層のインジウム（Ｉｎ）の組成ｘは、０．０２以上０．０７以下、より好ましくは、０．０３以上０．０５以下が好ましい。
【００４２】
発光層７のｎ電極１２側に設けられる多重層６のＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）からなる層の膜厚は、０．５ｎｍ以上６ｎｍ以下であることが好ましく、０．５ｎｍ以上４ｎｍ以下であることがより好ましい。以下に発光特性を記すが、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）からなる層の膜厚が６ｎｍを越えると、駆動電圧Ｖｆが大幅に上昇することが判明している。０．５ｎｍ未満となると、その膜厚の調整が困難となるので、避けるべきである。一方、多重層６のＧａＮから成る層は、少なくとも１０〜４０ｎｍの範囲では素子特性に大きな変化を生じないことが判明している。多重層６のＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）からなる層の厚さの発光層の井戸層の厚さに対する比は、０．１以上２以下とすることが望ましい。より望ましくは、発光層７の井戸層の厚さ以下に多重層６のＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）からなる層の厚さを調節する。一方、多重層６のＧａＮ  からなる層の厚さの発光層の障壁層の厚さに対する比は、０．５以上４以下であることが望ましい。より望ましくは、発光層７の障壁層の厚さ以上に多重層６のＧａＮから成る層の厚さを調節することが望ましい。
【００４３】
発光層７のｎ電極１２側に設けられる多重層６のＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）からなる層の数は１以上７以下とすることが望ましく、より好ましくは、１以上５以下とするとよい。
【００４４】
ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子などの窒化物半導体発光素子１は、上記の発明の主たる構成に係る限定の他は、任意の構成を取ることができる。また、発光素子は発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、フォトカプラ、その他の任意の発光素子としてよい。特に、本発明に係るＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子などの窒化物半導体発光素子１の製造方法としては任意の製造方法を用いることができる。
【００４５】
具体的には、結晶成長させる基板としては、サファイヤ、スピネル、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ｚ
ｎＯ、ＭｇＯまたは、ＩＩＩ族窒化物系化合物単結晶などを用いることができる。ＩＩＩ  族窒化物系化合物半導体層を結晶成長させる方法としては、分子線気相成長法（ＭＢＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、ハライド気相成長法（ＨＤＶＰＥ）、液相成長法等が有効である。
【００４６】
電極形成層などのＩＩＩ族窒化物半導体層は、少なくともＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−  ｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）  にて表される２元系、３元系または４元系の半導体から成るＩＩＩ族窒化物系化合物半導体で形成することができる。
【００４７】
ここで、本実施形態１の窒化物半導体発光素子１の特徴構成として、多重層６が、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜０．３）からなる第１の層とＧａＮからなる第２の層とを交互に積層し、この多重層６のうちの第１の層に、一導電型不純物としてのＳｉが濃度５×１０１６ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３（さらに好ましくは、１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３）の範囲で添加されて、発光層７が受ける静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）が２０以上４０以下（さらに好ましくは、２０以上３５以下）とされている。この本実施形態１の窒化物半導体発光素子１の特徴構成について、以下に更に詳細に説明する。
【００４８】
図２は、図１の発光層７が受ける静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）と図１の多重層６のＳｉ密度（ｃｍ３）との関係を特性曲線として示す図である。
【００４９】
図２に示すように、縦軸の静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）が高いほど発光層７が破壊される確率が高く、横軸がＳｉのドーピング量を示すＳｉ濃度（ｃｍ３）である。この場合、ＧａＮ層でアンドープの材料の状態でＳｉ濃度が１×１０１６である。静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）はアンドープの方向（横軸の左方向）で高くなって、発光層７が破壊される確率が高くなっている。Ｓｉ濃度をアンドープ状態（１×１０１６）から横軸の右方向に徐々に上げていくと、静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）の最も低いボトムポイント（極小値）があり、ここで最も発光層７が破壊しにくくなる。これは、この静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）の最も低いボトムポイント（極小値）では、トンネル接続現象が発光層７に生じて電流を逃がしてしまうことに起因している。多重層６のＳｉ濃度をアンドープ状態（１×１０１６）では電流が流れないためにＥＳＤ耐圧試験時に例えば１５００Ｖが発光層７に直にかかってしまい発光層７が容易に破壊してしまう。また、静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）が最も低いボトムポイント（極小値）からＳｉ濃度を更に上げていくと、静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）が上昇して発光層７が破壊する確率が高くなってくる。その後、Ｓｉ濃度を更に上げると、静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）が最も高いピークポイント（極大値）が存在する。この最も高いピークポイント（極大値）を超えると、静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）が下がって発光層７が破壊されにくい方向に移る。ところが、Ｓｉ濃度が１×１０１８ｃｍ−３を超えると、リーク電流が増加して発光効率が大幅に低下する光出力低下領域に入ってしまう。
【００５０】
したがって、多重層６のＳｉ濃度をアンドープ状態（１×１０１６）から、静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）が最も低いボトムポイント（極小値）、さらにピークポイント（極大値）になるまでの間の多重層６のＳｉ密度（ｃｍ３）、即ち、Ｓｉ濃度５×１０１６ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３（さらに好ましくは、１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３）の範囲に設定すれば、リーク電流による発光効率も良好でかつ耐圧も高い発光素子となる。この場合に、図２の特性曲線Ｃのように、パラメータの逆方向電流値によっては、Ｓｉ濃度が１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３の範囲内であっても、静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）が高い場合があり得るので、発光層７が受ける静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）が２０以上４０以下（さらに好ましくは、２０以上３５以下）としている。
【００５１】
また、基板の種類や生産ロットによって、このシリコンドーピング量（Ｓｉ濃度）の最適値が異なることから、ＧａＮ層４を介して基板２に流れるリーク電流を示す逆方向電流を、所定項目の逆方向電気特性のパラメータにして、シリコンドーピング量（Ｓｉ濃度）の設定をする必要がある。
【００５２】
図２の曲線Ａに示すように逆方向電流が０．７μＡ／ｃｍ２のときに、静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）が極小値となる多重層６のＳｉ濃度は３×１０１７ｃｍ−３または９×１０１７ｃｍ−３である。また、図２の曲線Ｂに示すように逆方向電流が７０μＡ／ｃｍ２のときに、静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）が極小値となる多重層６のＳｉ濃度は６×１０１７ｃｍ−３である。さらに、図２の曲線Ｃに示すように逆方向電流が７ｍＡ／ｃｍ２のときに静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）が極小値となる多重層６のＳｉ濃度は２×１０１７ｃｍ−３である。これらの極小値となる静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）は、２０以上４０以下（さらに好ましくは、２０以上３５以下）である。
【００５３】
したがって、基板の種類や生産ロット毎に、所定項目の逆方向電気特性のパラメータとして、基板側に抜ける逆方向電流を測定し、その測定した逆方向電流をパラメータとして予め求められた静電エネルギ／Ｓｉ密度の曲線における静電エネルギが極小となるＳｉ濃度（Ｓｉ密度）となるように、多重層６をシリコンドーピングすれば、発光強度や駆動電圧を悪化させることなく最も静電破壊しにくく、静電耐圧を向上させることができる。この場合に、図２から静電エネルギは２０ｍＪ／ｃｍ２以上４０ｍＪ／ｃｍ２以下程度であればよい。さらに好ましくは、静電エネルギが２０ｍＪ／ｃｍ２以上３５ｍＪ／ｃｍ２以下であればよい。
【００５４】
上記構成の窒化物半導体発光素子１の製造方法について説明する。
【００５５】
図３は、図１の窒化物半導体発光素子１の製造方法における各製造工程を示す流れ図である。
【００５６】
図３に示すように、本実施形態１の窒化物半導体発光素子１の製造方法は、ステップＳ１でサファイヤ基板２を所定位置に受け入れるサファイヤ基板２の基板受け入れ工程と、ステップＳ２でサファイヤ基板２の表面に凹凸を形成するサファイヤ表面凹凸加工工程と、ステップＳ３でＭＯＣＶＤ法により、ステップＳ３で、サファイヤ基板２の表面凹凸加工面上に、バッファ層３、ノンドープＧａＮ層４、ｎ型コンタクト層５、多重層６、多重量子井戸構造の発光層７、電子ブロック層８およびｐ型コンタクト層９をこの順に順次形成するＭＯＣＶＤ工程と、ステップＳ４でｐ型コンタクト層９上に透光性薄膜電極１０を形成する透明性電極形成工程と、ステップＳ５で、基板端部をｎ型コンタクト層５の途中までエッチング除去してｎ型コンタクト層５の端部を露出させ、ｎ型コンタクト層５の端部表面上にｎ電極１２を形成すると共に、透光性薄膜電極１０の一部表面上にｐ電極１１を形成するｎ電極およびｐ電極形成工程と、ステップＳ６で、透光性薄膜電極１０、ｐ電極１１、ｎ電極１２およびｎ型コンタクト層５の露出表面、さらにエッチング除去側面に耐湿度用などに保護層１３を形成する保護層形成工程と、ステップＳ７で、ｐ電極１１およびｎ電極１２上の保護層１３をそれぞれ開口する電極開口部工程と、ステップＳ８で、ｎ電極１２からノンドープＧａＮ層４を介してサファイヤ基板２に電流が抜ける逆方向電流値を測定する測定検査工程とを有している。
【００５７】
このステップＳ８の測定検査工程で得た基板やロット特有の逆方向電流値をステップＳ３のＭＯＣＶＤ工程の多重層６の形成時にフィードバックし、ステップＳ３のＭＯＣＶＤ工程で、多重層６を形成時に、このフィードバックされた逆方向電流値をパラメータとした特性曲線において、静電エネルギ／Ｓｉ密度の特性曲線における静電エネルギが極小となるＳｉ濃度（Ｓｉ密度）となるように、多重層６をシリコンドーピングする。要するに、多重層６を形成時に逆方向電流値をフィードバックし、多重層６に対してシリコン（Ｓｉ）のドープ量を、静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）が最も低いＳｉ濃度に可変する。
【００５８】
要するに、本実施形態１の窒化物半導体発光素子１の製造方法は、窒化物半導体発光素子構造を有機金属化学気相成長法によりサファイア基板２上に形成する第１の工程と、ｐ電極１１およびｎ電極１２を形成する第２の工程と、逆方向電気特性として逆方向電流値を測定する第３の工程とを有する窒化物半導体発光素子１の製造工程において、ｎ導電型不純物のＳｉ濃度を第３の工程で測定される窒化物半導体発光素子１の逆方向電気特性値である逆方向電流値を用いて、その測定結果の逆方向電流値がパラメータである上記特性曲線を選択し、この選択した特性曲線に基づいて、静電エネルギが極小となるＳｉ濃度に、第１の工程のｎ導電型不純物のＳｉ濃度を制御する。
【００５９】
この場合、ｎ導電型不純物のＳｉ濃度の制御は、ＳｉＨ４ガス流量またはＳｉＨ（ＣＨ３）３ガス流量を制御することにより行う。静電破壊の原因となる高電圧の電荷が発光素子に印加されるときの静電エネルギを発光素子に印加されないようなインピーダンスとなるようなｎ型不純物濃度に有機金属化学気相成長装置のガス流量によりｎ導電型不純物の濃度を制御することにより、光出力を劣化させることなく、静電破壊耐性を向上させることができる。
【００６０】
以上により、本実施形態１によれば、単結晶性基板２上に、多重量子井戸構造の発光層７を有する窒化物半導体発光素子１において、発光層７のｎ電極１２側に、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ  （０＜ｘ＜０．３）からなる第１の層と、ＧａＮからなる第２の層とを交互に複数積層した多重層６を有し、多重量子井戸構造の発光層７の井戸層は少なくともＩｎを含むＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ＜０．３）からなり、多重層６の第１の層に、ｎ導電型不純物がその濃度として５×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３の範囲で添加されて、発光層７が受ける静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）が２０以上４０以下とされていること、具体的には、測定結果の逆方向電流値がパラメータである上記特性曲線に基づいて、静電エネルギが極小となるＳｉ濃度で、多重層６の第１の層に、ｎ導電型不純物のＳｉをイオン注入することにより、光出力を劣化させることなく、静電耐圧をより向上させることができる。
【００６１】
なお、本実施形態１では、多重層６の第１の層に、ｎ導電型不純物がその濃度として５×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３の範囲で添加されて、発光層７が受ける静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）が２０以上４０以下とされていること、その一例として、測定検査工程での測定結果の逆方向電流値がパラメータである上記特性曲線に基づいて、静電エネルギが極小となるＳｉ濃度で、多重層６の第１の層にｎ導電型不純物のＳｉをイオン注入する場合について説明したが、これに限らず、測定検査工程での測定結果の逆方向電流値がパラメータである上記特性曲線に基づいて、静電エネルギが極小となる前後の所定範囲のＳｉ濃度で、多重層６の第１の層にｎ導電型不純物のＳｉをイオン注入してもよい。要するに、多重層６の第１の層に、ｎ導電型不純物がその濃度として５×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３の範囲で添加されて、発光層７が受ける静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）が２０以上４０以下とされていればよい。
【００６２】
この場合、本実施形態１では、多重層６の第１の層のＳｉ濃度を制御したが、これに限らず、多重層６の第１の層および第２の層のそれぞれのＳｉ濃度を制御してもよい。要するに、多重層６の第１の層のＳｉ濃度を制御すればよい。
【００６３】
なお、本実施形態１では、所定項目の逆方向電気特性としての逆方向電流値をパラメータとして、発光層７が受ける静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）と多重層６のＳｉ濃度との関係を示す特性曲線を予め求めておき、測定検査工程で求めた逆方向電流値をパラメータとする特性曲線に基づいて、多重層６の少なくとも第１の層のＳｉ濃度を、静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）の極小値または、その前後の値に対応する多重層６のＳｉ濃度に制御している場合について説明したが、逆方向電気特性値は上記逆方向電流値に限らず、逆方向ＡＣ電圧印加時の静電容量値であってもよい。
【００６４】
この場合、所定項目の逆方向電気特性としての逆方向ＡＣ電圧印加時の静電容量値をパラメータとして、発光層７が受ける静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）と多重層６のＳｉ濃度との関係を示す特性曲線を予め求めておき、測定検査工程で求めた逆方向ＡＣ電圧印加時の静電容量値をパラメータとする特性曲線に基づいて、多重層６の少なくとも第１の層のＳｉ濃度を、静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）の極小値または、その前後の値に対応する多重層６のＳｉ濃度に制御することになる。所定項目の逆方向電気特性としての逆方向ＡＣ電圧印加時の静電容量値をパラメータとする特性曲線も、図２に示す所定項目の逆方向電気特性としての逆方向電流値をパラメータとする特性曲線と同様に極小値や極大値を持つ同様の特性曲線となっている。要するに、逆方向ＡＣ電圧印加時の静電容量値をパラメータとする特性曲線についても、本発明に適用することができる。即ち、逆方向ＡＣ電圧印加時の静電容量値の違い毎に多重層６のＳｉ濃度に対する静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）の関係が、逆方向電流値毎に、多重層６のＳｉ濃度に対する静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）の関係が存在するのと同様に存在する。
【００６５】
なお、本実施形態１では、所定項目の逆方向電気特性としての逆方向電流値をパラメータとして、発光層７が受ける静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）と多重層６のＳｉ濃度との関係を示す特性曲線を予め求めておき、測定検査工程で求めた逆方向電流値をパラメータとする特性曲線に基づいて、多重層６の少なくとも第１の層のＳｉ濃度を、静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）の極小値または、その前後の値（発光層が受ける静電エネルギが２０以上４０以下の値）に対応する多重層６のＳｉ濃度に制御している場合について説明したが、逆方向電気特性値としては上記逆方向電流値に限らず、逆方向電気特性値は過渡容量分光法（ＤＬＴＳ）または等温過渡容量法（ＩＣＴＳ）によって測定された欠陥準位であってもよい。
【００６６】
この場合、図３のステップＳ８の測定検査工程で逆方向電流値の測定を行う代わりに、チップ化工程の後の工程で、過渡容量分光法（ＤＬＴＳ）および等温過渡容量法（ＩＣＴＳ）によって欠陥準位を測定し、図３のステップＳ３のＭＯＣＶＤ工程にフィードバックし、測定した欠陥準位をパラメータとして、多重層６のＳｉ濃度に対する静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）の関係を示す特性曲線に基づいて、多重層６の少なくとも第１の層のＳｉ濃度を、静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）の極小値または、その前後の値（発光層が受ける静電エネルギが２０以上４０以下の値）に対応する多重層６のＳｉ濃度に制御する。所定項目の逆方向電気特性としての欠陥準位をパラメータとする特性曲線も、図２に示す所定項目の逆方向電気特性としての逆方向電流値をパラメータとする特性曲線と同様に極小値や極大値を持つ同様の特性曲線となっている。要するに、欠陥準位をパラメータとする特性曲線についても、本発明に適用することができる。即ち、欠陥準位の違い毎に多重層６のＳｉ濃度に対する静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）の関係が、図２に示すように、逆方向電流値毎に、多重層６のＳｉ濃度に対する静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）の関係が存在するのと同様に存在する。
【００６７】
以上のように、本発明の好ましい実施形態１を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態１に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態１の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は、緑、青および紫外領域の窒化物系化合物半導体発光素子などの窒化物半導体発光素子およびその製造方法の分野において、発光層のｎ電極側に、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜０．３）からなる第１の層とＧａＮからなる第２の層とを交互に積層した多重層の少なくとも第１の層に、不純物濃度が５×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３の範囲になるように多重層に不純物を添加して、発光層が受ける静電エネルギ（ｍＪ／ｃｍ２）が２０以上４０以下とすることにより、静電破壊の原因となる高電圧の電荷が発光層に印加されるときのエネルギを発光層に印加されないようなインピーダンスとなるような多重層の不純物濃度に制御するため、発光強度や駆動電圧を悪化させることなく静電耐圧を向上させることができる。
【符号の説明】
【００６９】
１  窒化物半導体発光素子
２  サファイヤ基板
３  バッファ層
４  ノンドープＧａＮ層
５  ｎ型コンタクト層
６  多重層
７  多重量子井戸構造の発光層
８  電子ブロック層
９  ｐ型コンタクト層
１０  透光性薄膜電極
１２  ｎ電極
１１  ｐ電極
１３  保護膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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